Controlerende factoren van de lange verblijfstijd van organische koolstof in bodems: een veldstudie in intergetijdengebieden en een modelevaluatie

De bodem maakt enkel de bovenste meters van onze aarde uit, maar toch is ze vitaal voor het leven op aarde. Vanuit het standpunt van de mens, een gezonde bodem is noodzakelijk om gewassen te telen en het onderhouden van vegetatie, die CO2 uit de atmosfeer omzet in de lucht die wij inademen. Vanuit het standpunt van de natuur is de bodems een belangrijke habitat, want in elke gram bodem leven duizenden verschillende soorten bacteriën, meer dan in eender welk ecosysteem ter wereld. Ondank het feit dat deze micro-organismen (voornamelijk bacteriën en schimmels) onzichtbaar zijn voor het menselijke oog spelen ze een belangrijke rol in de globale cyclus van koolstof. Wanneer deze micro-organismes organische moleculen opnemen uit hun omgeving, voornamelijk afkomstig van de wortels en bovengrondse delen van planten, zetten ze een deel van de organische bestanddelen om naar CO2, wat naar de atmosfeer ontsnapt en daar een belangrijk broeikas gas is. Een goed begrip van hoe bodems fungeren is dus niet enkel belangrijk vanuit een agronomisch perspectief, maar is ook een onmisbare schakel in de kennis die ons toelaat de begrijpen hoe de globale cyclus van koolstof werkt en dus om betrouwbare voorspellingen te kunnen maken van hoe het klimaat op onze planeet in de toekomst zal veranderen.

 Hoe doel van dit doctoraat was het bijbrengen van kennis over hoe organische koolstof (dit is koolstof afkomstig van voornamelijk vegetatie, vervat in organische bestanddelen) zich in bodems gedraagt, om zo een beter beeld te krijgen van de mechanismen die de snelheid bepalen waarmee deze organische bestanddelen worden omgezet naar CO2 door micro-organismen om zo beter voorspelling te kunnen maken over hoe het klimaat er in de toekomst zal uitzien. Dit is gedaan voor twee specifieke omgevingen: schorren en polders in het estuarium van de Schelde (België en Nederland). Schorren zijn gebieden begroeid met vegetatie, te vinden langsheen kustlijnen en in estuaria (dit is het deel van een rivier dat beïnvloed wordt door getijdenwerken). Polders ontstaan wanneer een schor (of een meer in andere gevallen) worden bedijkt om zo te kunnen worden aangewend voor landbouw. Het grootste gedeelte van de oppervlakte van de Nederlandse provincie Zeeland is bijvoorbeeld een polder. Een deel van deze dissertatie draait verder rond de manier waar om organische koolstof in bodems wordt voorgesteld in numerische modellen. Dit is een belangrijk thema met betrekking tot het maken van voorspelling over hoe het klimaat zal veranderen gedurende de komende decennia. Dat laatste gebeurt door modellen van het systeem aarde (Engels: Earth system models). Dit zijn modellen die simulaties maken van fluxen van verschillende elementen, waaronder koolstof, tussen de grootste reservoirs op Aarde: de oceanen, de atmosfeer, vegetatie en bodems. Een laatste deel van dit doctoraat draait rond mid-infrarood spectroscopy, een techniek die de laatste jaren aan belang heeft gewonnen als een alternatieve methode om de concentratie van organische koolstof in bodemstalen te voorspellen.

Het empirische deel van deze dissertatie heeft nieuwe inzichten aangebracht met betrekking tot de mechanismen die het gedrag van organische koolstof in de bodems van schorren controleren. Het is aangetoond dat het grootste deel van deze organische koolstof niet afkomstig is van lokale vegetatie (wat in bijvoorbeeld een bosbodem steeds het geval is), maar dat een groot deel van deze koolstof wordt aangevoerd van buitenaf. Schorren worden immers overspoeld met water tijdens hoogtij, waarbij tijdens deze overstromingen sediment wordt afgezet aan het oppervlak van schorren. Dit sediment bevat organische koolstof, die dus een groot deel van de koolstof in schorbodems uitmaakt. Het is aangetoond dat deze koolstof afkomstig is uit terrestrische (in dit geval bijvoorbeeld akkers in het Scheldebekken) en mariene (bijvoorbeeld sedimenten langs de kustlijn) ecosystemen. Bovendien is er aangetoond dat de koolstof die aan deze sediment vasthangt tot duizenden jaren oud is. Deze bevindingen hebben belangrijke gevolgen voor berekeningen van de hoeveelheid CO2 die in schorren uit de atmosfeer wordt onttrokken, en vervolgens wordt opgeslagen in de bodems van deze schorren als organisch materiaal. Wanneer er geen rekening gehouden wordt met het feit dat een groot deel van de organische koolstof in schorsedimenten is aangevoerd zal de hoeveelheid lokale CO2 opslag sterk worden overschat. Verder heeft dit onderzoek aangetoond dat wanneer schorren worden ingepolderd er een groot deel (zo’n 60 %) van de organische koolstof in deze bodems verloren gaat, waarschijnlijk als CO2 naar de atmosfeer. In feite gaat een groter gedeelte van de oorspronkelijke hoeveelheid organische koolstof, maar deze wordt deels vervangen door organische koolstof afkomstig van de geteelde gewassen. Verder is er aangetoond dat wanneer men een nauwkeurige begroting wil maken van de verandering in de totale hoeveelheid organische koolstof in de bodems van gebieden de door inpoldering worden gevormd, men rekening moet houden met historische veranderingen in de oppervlakte ingenomen door polders (die weinig koolstof bevatten) en schorren (die net veel koolstof bevatten). In het laatste empirische stuk van dit doctoraat wordt verder getoond dat mid-infrarood spectroscopy een goed alternatief is om het gehalte organische koolstof van schorsedimenten te voorspellen, met een relatieve afwijking tussen deze voorspellingen en metingen kleiner dan 3 %.

In het modelleergedeelte van deze dissertatie werd er nagegaan hoe correct de structuur van bestaande koolstofmodellen (dit zijn modellen die het gedrag van organische koolstof in bodems simuleren) is. Meer specifiek is er nagegaan in welke mate twee reeds bestaande modellen in staat zijn om naast de totale hoeveelheid koolstof ook de hoeveelheid 14C (‘koolstof 14’, die een proxy is voor de leeftijd van de koolstof is) en stabiele isotopen van koolstof (aangeduid als δ13C) te simuleren. De motivatie van deze oefening was dat een koolstof model met een correcte interne structuur in staat moet zijn om de drie natuurlijk voorkomende isotopen van koolstof (12C, 13C en 14C) correct te simuleren. De resultaten toonden aan dat ondanks het feit dat deze modellen realistische voorspellingen maakten voor totale koolstof en 14C, de stabiele isotopen (13C) niet correct werden gesimuleerd. Op basis van de inzichten die in deze oefening zijn verworven wordt er in het laatste deel van deze dissertatie een nieuw koolstof model ontwikkeld. Het nieuwe aan dit model is dat het een onderscheid maakt tussen het gedrag van koolstof in het gedeelte van bodems dat rechtstreeks door wortels wordt beïnvloed (dat is het deel van de bodem waar er zich het meeste leven bevindt) en de minerale bodem (waar koolstof voornamelijk gebonden is aan mineralen en het daardoor niet beschikbaar is als bron van energie voor micro-organismen). Deze modelstructuur zorgt er voor dat er realistische voorspellingen gemaakt kunnen worden voor zowel totale koolstof, 14C als δ13C.